ГАЗОТУРБОВОЗ Российский патент 2010 года по МПК B61C5/00 

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, конкретно к силовым установкам локомотива, выполненным на базе газотурбинного двигателя (турбопоезда или газотурбовоза), который в качестве топлива использует сжиженный природный газ - СПГ.

Работы по созданию газотурбовоза проведены в СССР и за рубежом. В Западной Европе наиболее интенсивные работы по газотурбовозам впервые были развернуты во Франции и привели к созданию газотурбовоза.

Известна силовая установка по патенту РФ на изобретение №2137617, эта установка имеет жидкостную систему охлаждения и вентилятор для создания потока охлаждающего воздуха.

Известна силовая установка по патенту РФ №2189477, которая содержит газотурбинный двигатель - ГТД, газовый тракт, соединяющий этот газотурбинный двигатель со свободной турбиной и нагрузку в виде электрогенератора, вал которого подсоединен к валу свободной турбины через муфту.

Недостатком этой силовой установки является то, что она имеет низкий КПД около 20%, что почти в 2 раза меньше, чем у современных дизельных установок.

Известна силовая установка газотурбовоза по патенту США №3543685 (прототип), которая содержит газотурбинный двигатель с турбиной и свободную турбину, за которой установлен регенеративный теплообменник, выход из которого соединен с газотурбинным двигателем, конкретно - с системой охлаждения турбины.

Недостатками этого двигателя является низкий КПД силовой установки из-за того, что подача пара на вход в турбину резко уменьшает температуру продуктов сгорания, проходящих через нее и тем самым снижает КПД турбины и силовой установки в целом. Если же компенсировать снижение температуры газа перед турбиной увеличением расхода топлива, это приведет к дефектам в виде прогара сопловых и рабочих лопаток турбины. Кроме того, длительное пропускание большого расхода воды через систему охлаждения турбины приводит к отложению накипи в системе охлаждения турбины и ухудшению охлаждения. Применение дистиллированной воды невозможно по техническим и экономическим соображениям. Кроме того, регенеративный теплообменник имеет недостаточную поверхность теплообмена для того, чтобы полностью утилизировать тепло выхлопных газов.

Задача создания изобретения: повышение надежности установки.

Решение указанной задачи достигнуто в газотурбовозе, содержащем корпус, имеющий крышу и боковые стенки, основную силовую установка в виде газотурбинного двигателя, а также вспомогательный дизель, соединенные кинематически, отличающемся тем, что применено две основные силовые установки, установленные в мотогондолах, прикрепленных при помощи аэродинамических крыльев к боковым стенкам корпуса газотурбовоза, а на крыше установлен вертикальный аэродинамический руль.

Предложенное техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью, что подтверждается проведенными патентными исследованиями. Для реализации изобретения достаточно применения известных узлов и деталей, ранее разработанных и реализованных в конструкции газотурбинных двигателей и в машиностроении.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1…3 где

на фиг.1 приведена схема газотурбовоза,

на фиг.2 - вид А-А,

на фиг.3 приведена схема основной силовой установки газотурбовоза.

Газотурбовоз 1 содержит корпус 2, состоящий из боковых стенок 3 и крыши 4.

Корпус 2 установлен на платформе 5. К боковым стенкам 3 корпуса 2 прикреплены два аэродинамических крыла 6, к которым прикреплены мотогондолы 7, в которых установлены газотурбинные двигатели 8. Внутри корпуса 2 установлен вспомогательный дизель 9, соединенный через управляемую муфту 10 соединительным валом 11 с раздаточной коробкой (редуктор) 12. Тяговые приводы 13 при помощи силовых валов 14 соединены с колесными парами 15. Силовые валы 14 также имеют управляемые муфты 10. На крыше 4 в задней части корпуса 2 установлен вертикальный аэродинамический руль 16, соединенный с приводом 17.

Платформа 5 при помощи колесных пар 15 установлена на рельсах 18.

Газотурбинные двигатели 8 (фиг.3) содержат входное устройство 19 и два турбокомпрессора: первый - 20 и второй - 21, выполненные по биротативной схеме, т.е. без сопловых и направляющих аппаратов, с возможностью вращения в противоположные стороны. Турбокомпрессор 20 содержит компрессор низкого давления 22 и турбину низкого давления 23. Компрессор низкого давления 22 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо компрессора 24. Турбина низкого давления 23 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо турбины 25. Рабочие колеса компрессора 24 и рабочее колесо (колеса) турбины 25 соединены внутренним валом 26 первого турбокомпрессора 20. Второй турбокомпрессор 21 содержит компрессор высокого давления 27 и турбину высокого давления 28. Компрессор высокого давления 27 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо компрессора 24, а турбина высокого давления 27 содержит, по меньшей мере, одно рабочее колесо турбины 25. Рабочее колесо (колеса) компрессора 24 компрессора высокого давления 27 и рабочее колесо (колеса) 25 турбины высокого давления 28 соединены внешним валом 29. Валы 26 и 29 установлены на подшипниках 39. Двигатель имеет внешний корпус 31, к которому крепится камера сгорания 32 с форсунками 33, к внешнему корпусу 31 также крепятся входное устройство 19 при помощи ребер 34 и реактивное сопло 35 при помощи ребер 36. Перед камерой сгорания 32 установлен спрямляющий направляющий аппарат 37, а за камерой сгорания 32 - сопловый аппарат 38.

Топливная система газотурбинных двигателей 8 содержит топливопровод 39, в котором установлен топливный насос 40, соединенный с приводом 41. Основная силовая установка 6 установлена вертикально в центре корпуса 2 газотурбовоза (локомотива) 1 (фиг.1 и 2).

При работе сначала запускают вспомогательный дизель 9, потом основную силовую установку 8 при помощи вспомогательного дизеля 9, выполняющего функцию стартера, раскручивают один из турбокомпрессоров 20 или 21, запускают привод 41, который раскручивает топливный насос 40, топливо (сжиженный природный газ - СПГ) по топливопроводу 39 подается в форсунки 33 камеры сгорания 32, где воспламеняется при помощи пирозапальника или электрозапальника (не показан). Продукты сгорания проходят через турбину высокого давления 27 и турбину низкого давления 28. Мощность с турбин 27 и 28 передается на компрессоры 22 и 27, которые сжимают воздух, идущий в камеру сгорания 32. Значительная часть мощности (70…8 0%) подается на тяговый привод 13 и на колесные пары 15 и создают тягу газотурбовоза (локомотива) 1. Кроме того, две основные силовые установки 8 создают дополнительно реактивную тягу 20…30% от общего тягового усилия.

При отказе одной из силовых установок 8 она отключается при помощи управляемой муфты 10 и газотурбовоз 1 продолжает движение, не снижая скорости за счет форсирования второй силовой установки. Возникшее при этом боковое усилие компенсируется при помощи вертикального аэродинамического руля 16, которым управляет привод руля 17. Режим работы основных силовых установок 8 регулируется топливными насосами 40. Останов основных силовых установок осуществляется прекращением подачи топлива. Реверсирование осуществляется при помощи раздаточной коробки 12 (детально это устройство в материалах заявки не приведено). Аварийный останов осуществляется выключением основных силовых установок 8 и торможением, а маневрирование - использованием вспомогательного дизеля 9.

Применение изобретения позволило:

1. Повысить надежность локомотива за счет связи при помощи трансмиссии двух двигательных установок: основной силовой и вспомогательного дизеля и возможности продолжения полета при отказе одного из них.

4. Обеспечить маневрирование газотурбовоза с применением вспомогательного дизеля.

5. Повысить КПД всех двигательных силовых установок за счет более рациональной компоновки всех силовых установок, наличия двух каскадов компрессора и турбины у всех силовых установок и регенерации тепла на входе в основную силовую установку. Особенно значительно улучшены тяговые и весовые характеристики и уменьшен осевой габарит основной силовой установки локомотива за счет применения биротативной схемы.

6. Облегчить запуск за счет раскрутки только одного ротора основной силовой установки без раскручивания другого ротора.

7. Облегчить условия работы роторов основных силовых установок за счет возможности их взаимного проскальзывания одного из двух роторов и их работы на различающихся частотах вращения.

8. Уменьшить вес и габариты основной силовой установки, особенно осевой габарит, что важно для газотурбовоза за счет применения биротативной схемы.

9. Обеспечить противоположное вращение ступеней роторов основной силовой установки без применения редуктора.

Изобретение относится к локомотивам с силовыми установками в виде газотурбинного двигателя, работающими на сжиженном природном газе, - газотурбовозам. Газотурбовоз содержит корпус, имеющий крышу и боковые стенки газотурбинного двигателя, а также вспомогательный дизель, соединенные кинематически, и две основные силовые установки, установленные в мотогондолах, прикрепленных при помощи аэродинамических крыльев к боковым стенкам корпуса газотурбовоза. На крыше газотурбовоза установлен вертикальный аэродинамический руль. Технический результат заключается в повышении надежности и уменьшении веса и габаритов газотурбовоза. 3 ил.

Газотурбовоз, содержащий корпус, имеющий крышу и боковые стенки, основную силовую установку в виде газотурбинного двигателя, а также вспомогательный дизель, соединенные кинематически, отличающийся тем, что применено две основные силовые установки, установленные в мотогондолах, прикрепленных при помощи аэродинамических крыльев к боковым стенкам корпуса газотурбовоза, а на крыше установлен вертикальный аэродинамический руль.